井壁稳定性影响因素研究

徐 勇 汪宁宇 张永健

(1.东北石油大学 黑龙江 大庆 163000；2.长江大学 湖北 荆州 434000)



井壁稳定性影响因素研究

徐 勇1汪宁宇1张永健2

(1.东北石油大学 黑龙江 大庆 163000；2.长江大学 湖北 荆州 434000)

井壁稳定性是钻井开发过程中一个非常棘手的问题，油田的各项开发指标均会受到它的影响，井壁失去稳定，这样机会导致井壁缩径、漏失、卡钻及储层污染等井下复杂工况和事故,这些事故的发生，将会在油气田勘探开发工程的过程中，产生很严重的影响。

井壁稳定性；钻井；因素

一、井壁稳定问题的提出

在石油开发作业过程中，有一个问题一直困扰石油工业界，这个问题就是如何有效处理钻井过程中的井壁失稳。在油田勘探开发中,勘探开发总费用的大部分都花费在钻井上,因此，有效降低钻井成本的关键是研究和应用先进适用的钻井技术。因此，如何使壁失稳问题得到有效的控制，成为国内外石油钻井界非常关注的一个十分复杂棘手的科学技术难题。

石油开发过程中，为了使得井壁不稳定问题得到解决,科研人员一直致力于研究井壁稳定技术,开展了一系列工作，对井壁稳定性问题进行了研究。通过十几年来科研人员和钻井技术人员的努力,井壁稳定技术在井壁失稳机理的研究、室内评价测试方法、钻井液处理剂、钻井液体系及技术对策等方面都取得了很大的进展,我国在井壁稳定技术水平有了显著的提高和明显的改善。找出一系列防止井壁失稳事故发生的工程措施,对井壁稳定问题进行深层次的力学分析具有理论意义和工程应用前景。

二、井壁稳定性失稳的形式与原因

在石油钻井中，井眼稳定问题是世界范围内普遍存在的问题。每年由此造成的直径经济损失达数亿美元之巨。因此国内外许多研究机构都在致力于此项研究。

在钻井之前，深埋在地下的岩层受到上覆岩层压力、最大水平地应力、最小水平地应力和孔隙压力的共同作用，处于平衡状态。

如果孔中泥浆密度太低,将超过岩墙的抗剪强度应力和剪切破坏(井眼坍塌扩径或产量减少)的性能,关键井眼压力被定义为这个时候倒塌;

如果泥浆密度太高,墙会产生拉应力,当拉应力大于岩石的抗拉强度,拉伸断裂会发生井漏(性能),这个时候关键井眼压力被定义为破裂压力。

在工程实践中,因此,可以调整泥浆密度,改变井眼附近的应力状态,实现井眼稳定性的目的。

井壁失稳时岩石的破坏类型主要有两种：拉伸破坏、剪切破坏。

剪切破坏又分为两种类型:一种是脆性破坏，导致井眼扩大，这会给固井、测井带来问题。这种破坏通常发生在脆性岩石中，但对于弱胶结地层由于冲蚀作用也可能出现井眼扩大；另一种是延性破坏，导致缩径，发生在软泥岩、砂岩、岩盐等地层，在工程上遇到这种现象要不断地划眼，否则会出现卡钻现象。

拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可造成井喷。

实际上井壁稳定与否最终都表现在井眼围岩的应力状态。如果井壁应力超过强度包线，井壁就要破坏；否则井壁就是稳定的。

通过以上分析，可以发现，影响井壁稳定的因素概括起来可分为四大类：

(1)地质力学因素，原地应力状态、地层孔隙压力、原地温度、地质构造特征等。这些因素是不可改变的，只能准确地确定它们。

(2)岩石的综合性质，岩石的强度和变形特征等、孔隙度、含水量、粘土含量、组成和压实情况等。

(3)钻井液的综合性质，化学组成、连续相的性质、内部相的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥浆体系的维护等。特别是对于泥页岩和泥质胶结的砂岩，钻井液对它们的物理力学性质的影响非常的大。

(4)其它工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身结构参数(井深、井斜角、方位角)、压力激动和抽吸等。

这些因素和参数之间相互作用、相互影响，使井壁稳定问题变得非常复杂。

三、国内外相关研究进展

(一)国外井壁稳定性相关研究进展

在石油开发钻井技术研究这几十年以来,国外的钻井研究人员在连续介质力学的基础上,提出了一系列预测井眼应力分布的本构关系，以及评价井壁稳定性强度的准则。在计算地层坍塌破坏的井壁稳定性研究中,评价井壁稳定的常用的强度判断准则主要有线性Mohr-coulomb准则、Druck-Prage:准则和非线性Pariseau准则及Hoek-Brown准则。但是在这些准则中,Mohr-Coulomb准则最经常使用的,而且它的预测结果也是被认为是最符合实际情况的。

地应力计算方面,国外使用测井资料计算水平地应力的研究成果可以从以下几个地应力计算模型体现出来:

①MattewsKelly模型。1967年Mattews和Kelly在Hubber和Wills的基础上，结合钻井过程中的水力压裂提出了该模型：

σh2=ki(σv-pp)+pp

(1.1)

式中，σh2为最小水平应力，MPa：ki为骨架应力系数，无量纲：σv为地层垂向应力MPa：pp为地层空隙压力，MPa。

该模型把上覆岩层压力梯度看做是不随着深度的变化而变化的常数，同时没有考虑地层Biot弹性系数的影响，这与现实情况是不匹配的：而且，ki要用邻井压裂的实际资料来确定，所以，这种模型在现实生活中将不再适用。

②Eaton模型。1969年，Eaton提出了上覆岩层压力梯度不再是随着深度变化却不改变的常数，并且，他提出了通过测井资料求得上覆岩层压力梯度，并且将ki值具体化为得：

(1.2)

式中：μ为岩石泊松比，无量纲。

这种方法比较使用的，在工程中也经常用到，但是它同样没有考虑Biot弹性系数的影响，因此，对于孔隙度不高，渗透性不好的地层，它的计算误差会很大。

③Anderson模型。1973年，Anderson等通过Biot多孔介质弹性变形理论推导出：

(1.3)

式中：η为Biot弹性系数，无量纲。

Anderson模型将地应力的计算提高到了一个新的水平，弹性系数的引入使得对地层孔隙压力的作用得到了进一步的认识。

④Newberry模型。1986年，Newberry针对地渗透性且具有微裂缝的地层，提出了修正了Anderson模型：

(1.4)

(二)国内井壁稳定性相关研究进展

自80年代以来,在研究和发展井壁稳定技术的方面,国内的进步很快。许多油田开展了地层压力和破裂压力的计算和预测方法研究中,所有的成就在一定程度上,在实践和应用程序中,在某些计算方法上作了许多改进的基础上,地质构造,使其适用于油田的具体地质条件,取得了良好的效果。

国内井壁稳定性的问题的研究中，以黄荣搏等人为代表的科研工作者们，他们进行了大量卓有成效的工作,并针对各国内各油田的实际情况,通过大量的试验研究了各种不同油田的地层岩石的力学特性,并且针对地层破裂压力提出了适用的相对应的预测模型。

四、小结

井壁稳定性问题影响因素众多，还有很多有待解决的技术问题，目前已经取得的研究成果不能从根本上解决井壁稳定性问题。因此，对井壁稳定性问题还要进行更深入的研究。

徐勇(1992-)，男，湖北黄冈人，东北石油大学硕士研究生，研究方向：低渗透油藏二氧化眼氮气驱提高采收率。